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1. 서 론
교토의정서가 1997년에 체결되고 2005년에 발효되었다. 그 이후 지구온난화에 대한 세계인들의 관심은 나날이 증가하고 있다. 교토의정서에 따르면 부속서 A(Annex A)에 속하는 선진 38개국은 그림 1과 같이 온실가스 배출량을 1990년 대비 평균 5.2% 감축하여야 할 의무가 있다. 우리나라의 온실가스 감축의무는 2012년까지 면제되어 있으나 올해 12월 열릴 코펜하겐 기후회의를 예견해볼 때, 우리나라 역시 선진국 수준의 온실가스 감축이 불가피할 것으로 여겨지고 있으며, 2013년 이후에는 감축 의무국(Annex B)으로 지정될 것이 유력시 되고 있다. OECD 국가로서 가입을 안 한 나라는 우리나라와 멕시코 뿐 이라고 하니 가입은 불 보듯 뻔하다.
이와 같은 기후변화에 대한 세계적 흐름은 각 산업분야에 직접적인 영향을 미치고 있다. 냉동공조 분야에서도 이러한 영향을 직접적으로 받고 있으며, 그 일환으로 시스템의 효율을 향상시키기 위한 다각적인 노력이 경주되고 있다. 신 냉동 사이클의 고안, 2단 압축기의 사용, 내부 열교환기 부착, 인젝션 시스템 적용, 이젝터 이용 및 개선 등이 그것이다. 그 중에서도 이젝터(ejector)를 활용한 냉동사이클 구성은 사이클의 성능계수(COP)를 향상시킬 수 있을 것으로 큰 기대를 모으고 있다.
이젝터는 별도의 구동장치가 없는 비교적 단순하고 견고한 부품으로써 생산단가가 낮고 고장이 적은 장점이 있다. 이에 따라 여러 사이클에서 이젝터와의 접목을 통한 효율향상 연구가 진행되고 있다. 특히 비교적 낮은 COP로 인해 효율 향상이 필요한 이산화탄소(CO₂)를 냉매로 사용하는 냉동사이클에 조합될 경우, 큰 장점을 지닌다. 기존의 냉동사이클 보다 친환경적이면서 성능계수도 좋아질 수 있다는 측면에서 큰 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 여기서는 이젝터 냉동시스템의 원리 및 응용에 관하여 서술하고자 한다.
2. 이젝터 냉동시스템 개괄
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2.1 이젝터의 작동원리 |
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<그림2> |
이젝터(ejector)의 작동원리는 베르누이의 원리를 통해 간단히 설명하는 것이 가능하다. 베르누이의 원리는 위치에너지가 일정할 때, 압력에너지와 속도에너지의 합은 일정하다는 내용이다. 즉, 압력에너지가 줄어들면 속도에너지가 증가하고 속도에너지가 줄어들면 압력에너지가 증가한다는 것이다. 베르누이 정리로 이젝터를 설명하면, 이젝터는 그림 2에서 주 유동부를 통해 유입된 유체의 속도에너지를 증가시킴 으로써 압력에너지를 감소시킨다. 이 때, 그림 2의 흡입부로 저압의 유체가 유입되어 이젝터의 혼합구간에서 주 유동부를 통해 유입된 유체와 운동량 교환을 한다. 그 후, 디퓨져에서 속도에너지를 낮추면서 저압의 유체를 고압으로 변환시킨다.
그림 2에 나타난 것과 같이 이젝터는 크게 노즐부(주 유동부), 흡입부(suction), 혼합부(mixing section),
디퓨져(diffuser)로 구성되어있다.
그림 2의 이젝터 내의 압력분포 그래프를 바탕으로 이젝터의 원리를 좀 더 자세하고 이해하기 쉽게 살펴볼 수 있다. 공기 이젝터, 액체 이젝터의 경우 노즐부에서는 압력에너지, 그리고 증기 이젝터의 경우 압력에너지와 열에너지가 노즐출구에서 거의 대부분 속도에너지로 변환되어 분출된다. 즉 공기, 액체, 증기 이젝터 모두 유체가 보유하고 있는 엔탈피를 노즐 출구에서 속도에너지로 변환시키는 것이다. 이는 그림 2의 그래프에서 m, s->i 과정으로 나타낼 수 있다. |
여기서 유체의 에너지가 대부분 속도에너지이므로 분출시 혼합부에 진공압력이 형성되어 흡입부에서 흡입노즐을 통해 2차유체(상태 s)를 흡입하게 된다. 이렇게 흡입된 저압의 2차유체와 동기노즐을 통해 들어온 1차유체(상태 m)가 혼합부에서 혼합되면서 운동량을 교환하게 된다. 이 과정이 i->j 과정이다. 그 후, 목부에서 혼합유체의 낮은 압력과 초음속 이상의 고속으로 인해 수직충격파(shock)를 겪으면서 1차적으로 압력이 회복된다. 즉, 수직충격파로 인해 초음속의 혼합유체는 아음속 상태로 바뀌면서 순간적인 압력상승을 겪게 된다. 이 과정이 j->k 과정이다. 그 후 아음속 상태의 혼합유체는 단면적이 넓어지는 디퓨져를 지나면서 속도에너지가 감소하고 압력이 점차 상승한 뒤 배출된다. 이 과정이 k->b과정이다. 따라서 주유동을 이용해 저압을 형성하여 흡입유동을 만들고, 그 이후 압력을 회복시키는 역할을 이젝터가 하게 된다.
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2.2 이젝터 팽창 냉동사이클
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<그림3> |
이산화탄소(CO₂) 냉동사이클을 예로 들 때, 이젝터에 역할은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 기존 팽창밸브와 같은 냉매의 감압기능이고, 두 번째는 냉매의 운동에너지를 이용해 냉매 증기를 흡입하여 압력을 상승시키는 가압기능이다. 그림 3에서 2->3과정이 냉매가 이젝터의 노즐을 지나면서 압력이 감소하는 감압부분이다. 그리고 4->6과정이 냉매가 혼합하여 압력을 회복하는 구간인 가압구간이다. 감압과 가압과정을 지난 뒤, 디퓨져에서 나온 냉매 중 기체는 압축기에서 다시 한 번 압력상승을 겪고 가스쿨러(gas cooler)에서 열교환을 한 뒤, 다시 이젝터로 들어가게 된다. 디퓨져에서 나온 냉매 중 액체는 팽창밸브를 통해 한 번 더 감압과정 후, 증발기에서 열교환을 한 뒤, 이젝터 주유동부 노즐을 지난 냉매의 운동에너지로 인해 다시 이젝터로 흡입된다. 이젝터의 2가지 역할 중 압력을 상승시켜주는 가압역할로 인해 압축기에서 필요한 소비동력이 감소하게 되어 전체적으로 냉동 사이클의 COP(성능계수)를 상승시키게 된다. |
3. 이젝터 냉동 기술의 적용
3.1 이젝터 냉동 시스템의 연구 개발 동향
이젝터 시스템에 관해서는 성능해석 및 실험적인 성능 연구가 활발히 진행되어 왔다. 노즐이나 흡입부, 디퓨저 등의 직경, 길이, 위치 등 이젝터 형상의 변화나 유량, 압력, 온도, 습도 등 운전 조건의 변화에 따른 성능을 해석하고 유동특성에 대한 분석을 하고 있다. 이를 위해 구성요소 및 시스템 모델링뿐만 아니라 다양한 CFD 프로그램을 이용한 해석 결과가 제시되었고, 실험 장치를 통한 성능규명 및 해석 결과와의 비교 등이 진행되었다.
이젝터를 이용한 시스템은 매우 다양하게 개발되어 이용되고 있다. 특히 냉동 분야에서는 열원구동 시스템(1901년), 팽창시스템(1931년), 이중 증발 시스템(1992년) 등의 이젝터 냉동 시스템이 수 십 년 전에 개발되었고, 이를 개량한 다양한 시스템이 존재하고 있다.
이를 바탕으로 기본적인 이젝터의 형상이나 배열과 같은 시스템에 대한 다양한 특허가 등록되었다. 특히 이윤 창출과 밀접한 관련이 있는 분야에서는 이젝터를 적용한 다양한 제품에 대한 특허 등록 또한 활발히 이루어지고 있다.
냉동분야에서는 이젝터 사이클의 용량조절 및 성능계수 향상을 위하여 이젝터 이전에 가변스로틀 밸브 또는 감압장치를 구성하는 사이클에 관한 특허와 증발기에 공급되는 윤활유의 양을 감소시키고, 압축기로의 윤활유 공급을 원활하게 하기 위해 이젝터를 이용한 윤활유의 분리 및 공급에 관한 특허가 주류를 이루고 있다.
또한 이젝터는 냉동 분야 이외의 발전설비, 석유화학, 섬유, 조선, 철강, 식품, 제지, 환경, 의약 등 다양한 분야에서 이용되고 있으며 목적에 따라 각각 증기(steam) 이젝터, 워터(water) 이젝터, 공기(air) 이젝터, 섬프(sump) 이젝터 등이 이용되고 있다. 냉동시스템은 물론이고, 터빈 배압 유지 장치, 증류 장치, 진공증발 장치, 건조 및 탈취 장치, 폐열회수 장치, 댐 배사 장치 등에 이용되어 왔으며, 최근에는 연료전지, 멀티형 에어컨, 자동차용 에어컨 등에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
3.2 이젝터 팽창장치를 이용한 차량 냉방 시스템
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<그림4>
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자동차용 에어컨의 경우 일본의 덴소(Denso)사에서 1990년대 초부터 연구를 진행하여 왔다. 덴소는 이산화탄소와 같은 친환경 자연냉매를 사용하는 냉동 시스템에 있어서 고효율의 히트펌프에 적용 가능한 이젝터 시스템의 구성 및 제어에 관한 특허를 상당수 확보하고 있으며, 새로 개발된 이젝터 시스템은 2009년 5월에 출시된 도요타의 프리우스 하이브리드(Prius hybrid) 모델에 적용되었다.
자동차용 공기조화 시스템에서 소모하는 에너지의 대부분은 압축기가 냉매를 압축하는데 사용된다. 그림 4와 같이 기존의 공조 시스템에서는 압축된 기상냉매를 응축기에서 방열하도록 하여 고압상태의 액상냉매로 만들며, 이를 팽창장치를 이용해 압력을 낮추어 저온을 만든다. 이렇게 저온이 형성되면 증발기를 통해서 공기와 열교환시키며, 차가와진 공기를 차실 내로 보내어 냉방을 한다. |
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<그림5> |
그림 5는 덴소에서 새로 개발한 시스템으로 팽창밸브 대신 이젝터를 사용하여 냉매의 압력을 낮추고 압축기 소요 동력을 줄인 시스템이다. 이젝터 이용 냉방 시스템은 응축된 냉매가 팽창할 때 액상이 기상으로 변하면서 속도가 빨라지는 현상을 이용한 것으로서 이젝터의 주유동부에 응축된 냉매를 유입시켜 팽창시킨다. 이 때 노즐 출구에서 저압 상태를 얻을 수 있으며 이를 이용하여 냉매를 흡입하면, 압축기의 동력을 줄일 수 있다. 따라서 이젝터 냉방 시스템을 사용함으로써 기존 시스템에 비해 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다. |
과거의 이젝터 이용 냉방시스템은 자동차용 공조시스템으로 설치되기에는 부피가 큰 단점이 있었다. 덴소는 이젝터를 증발기 부분에 통합시켜 이를 해결하였다. 이젝터의 크기를 감소시키고 이젝터와 증발기 사이의 관 연결 부위를 줄여 전체의 크기도 줄였다. 또한, 이젝터 사이클 시스템 증발기(ejector cycle system evaporator : ECS evaporator) 크기는 기존 공조 사이클의 크기와 동일하여 이젝터 설치에 따른 자동차용 공조 시스템의 부피 문제가 없도록 하였다.
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3.3 이젝터를 이용한 이중증발 냉동시스템
그림 6의 이중증발 냉동시스템은 각각 다른 온도 및 압력을 유지하는 두 개의 증발기를 갖고, 첫 번째 증발기의 출구와 두 번째 증발기의 출구가 이젝터로 연결되는 사이클이다. 냉장고와 같이 냉동실과 냉장실을 갖고 있는 시스템에서 현재에는 냉동실에 필요한 온도가 유지될 수 있도록 냉매의 온도를 저온 (약 -30oC)까지 떨어뜨린다. 이젝터를 이용한 냉장고 사이클에서는 냉장실에 해당하는 증발기를 별도로 두고 냉매의 팽창을 냉장실 압력까지만 시킨 후 이젝터로 보내고, 냉동실에서 증발한 냉매는 이젝터의 흡입부로 빨아들인다. 이 경우 압축기 입구 압력은 상대적으로 높은 냉장실 냉매 압력과 동일하며 압축에 소요되는 압축일을 감소시킬 수 있다 |
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3.4 태양열 구동 이젝터 냉동 시스템
이젝터 냉동 시스템의 다른 형태로서 태양열로 구동하는 이젝터 냉동 시스템 (solar-assisted ejector cooling system, SECS)을 들 수 있다. 태양열 구동 이젝터 냉동 시스템은 그림 7과 같이 열원으로 태양열을 이용하는 시스템으로서, 펌프와 이젝터를 이용하여 기존 냉동 사이클의 압축기를 대체할 수 있도록 고안된 시스템이다.
그림 7에서와 같이 응축기에서 나오는 액냉매의 일부는 펌프를 통해 가압되고 태양열 등의 저온 폐열을 이용하는 열교환기(generator)로 유입되어 증발하게 된다. 열교환기에서 나온 고압 기체상태의 냉매는 이젝터 주유동부로 들어가 흡입유동을 발생시키고 이 흡입유동을 냉동 사이클을 구동하는 동력원으로 이용할 수 있다. 흡입 유동은 응축기에서 펌프로 흐르는 냉매를 제외한 나머지 냉매가 이젝터의 흡입력에 의해 만들어지는 유동으로서 팽창밸브와 증발기를 통과하면서 냉동 사이클을 형성하게 된다. 증발기에서 나온 냉매는 다시 이젝터 흡입 노즐로 들어와 고압의 주 유동과 혼합되고 최종적으로 디퓨저에서 압축됨으로써 이젝터가 기존 냉동 시스템의 압축기를 대체하게 된다.
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태양열 구동 이젝터 냉동 시스템은 냉매를 압축하는데 소요되는 일을 펌프를 이용한 액냉매 가압과 저온 열원의 열에너지로 대체함으로써 에너지를 매우 효과적으로 이용할 수 있도록 고안된 시스템이라고 할 수 있다.
태양열 구동 이젝터 냉동 시스템은 주로 태양열이 풍부한 지방에서 적용되고 있다. 그 한 예로서 터키는 지리적으로 북위 36~42° 에 위치하여 전형적인 지중해성 기후를 가지고 있으며, 연간 일조시간이 2600 h, 일조량은 3.6 kWh/㎡·day 에 이르는 등 태양열 구동 이젝터 냉동 시스템을 적용하기에 유리한 조건을 갖추고 있다. 터키에서 시행한 여러 실증적인 실험에서 태양열 구동 이젝터 냉동 시스템이 매우 효율적으로 이용될 수 있음이 증명되었다. 우리나라 또한 북위 33~43°에 위치하고, 태양열이 비교적 풍부하고 터키와 마찬가지로 일조량이 크기 때문에 태양열 구동 이젝터 냉동 시스템의 적용도 가능하리라 예상된다.
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3.5 부스터 이젝터 냉동 시스템
부스터 이젝터 사이클은 우크라이나 오데사 연구소(Odessa Technology Institute)에서 대륙 횡단 냉동차용으로 제작한 것이다. 그림 8은 부스터 이젝터 사이클의 개략도이다. 압축기에서 토출되는 냉매의 일부를 구동 유체로 하고 증발기에서 나오는 냉매의 일부를 흡입하고 압력을 보상하여 압축기로 유입시키는 사이클로서, 압축기로 들어가는 냉매의 압력을 상승시켜 압축기 부하를 절감할 수 있는 사이클이다. 특히, 주위의 온도변화가 큰 조건에서 이젝터에 들어가는 유량을 조절함으로써 부하변동에 대응할 수 있다는 장점이 있다.
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4. 결 론
냉동공조분야에서 사용되는 이젝터는 팽창밸브를 대체하여 감압작용을 할 수 있으며, 압축기의 압축일을 감소시킴으로써 냉동사이클의 COP(성능계수)를 향상시킬 수 있는 중요한 부품이다. 더욱이 별도의 구동장치가 필요 없는 간단한 구조를 가지고 있으며 제작이 간편하고 가격이 저렴할 뿐만 아니라 고장이 적다는 장점을 가지고 있다. 앞으로 그 응용이 확대될 것으로 기대하며, 앞서 언급한 이산화탄소(CO₂)를 사용한 냉동사이클과의 접목은 냉동시스템의 성능향상에 기여할 것으로 본다.
이미 일본 덴소사는 이젝터 시스템에 대한 특허를 출원하고 이젝터가 결합된 제품을 출시하여 최신 냉동시스템을 통한 시장 확보에 주력하고 있다. 우리나라 역시 이젝터에 대한 더욱 깊이 있는 연구를 기반으로 차세대 냉동시스템 시장의 확보를 위한 노력이 필요한 시기이다.
앞으로 이젝터 형상의 최적화, 노즐 및 흡입부의 최적설계, 운전조건 변화에 따른 유량 제어 기법 개발 등을 통해 이젝터가 부착된 냉동공조사이클이 고효율 기기로서 시장에 등장할 것으로 기대된다. |
